燃氣輪機高壓軸拖動失敗的原因探討

李 飛

（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

燃氣輪機高壓軸拖動失敗的原因探討

李 飛

（中海石油化學股份有限公司，海南東方 572600）

介紹了燃氣透平拖動失敗的原因分析、原因查找、解決問題的過程。

燃氣透平；液力耦合器；高壓軸

海南富島石油有限公司一期合成氨裝置采用燃氣輪機驅動空氣壓縮機，它的排氣作為輔助鍋爐燃燒空氣。這是國內首次利用燃氣透平的乏氣作為廢熱鍋爐燃燒空氣，提高燃氣透平的綜合熱效率，改變了過去燃氣透平與一段爐直接搭配的舊模式，提高了燃氣透平運行的靈活性。

1 燃氣輪機簡介

燃氣輪機裝置是整體式結構，即壓縮機燃燒室、燃氣輪機以及輔助設備都安裝在一個整體底座上。底座是結構鋼制成，兼做油箱使用，啟動電機、輔助齒輪箱、壓氣機、高壓透平、低壓透平、排氣蝸殼從左到右依次連接，燃燒室布置在壓氣機與高壓透平中間部件的側方。

燃氣輪機自身不能啟動，需要由起動機來啟動。起動機應有足夠的功率，良好的扭矩特性，其功率約為主機額定功率的2%－5%，類型一般為電機或蒸汽輪機。一期合成氨裝置的PGT10燃氣透平是用感應電動機作為起動機，型號為ABB生產的dQU355gc2型，其功率為200 k W，約為PGT10額定功率的2%。啟動電機通過液力耦合器、驅動輔助齒輪箱中的驅動齒輪，帶動高壓軸轉子達到高壓軸額定轉速的21－22%。高壓軸轉子與輔助齒輪箱為撓性聯軸節連接。

2011年10月，一期裝置因洪水引起的天然氣中斷而進行為期10天的停車檢修。燃氣透平在開車前的離線清洗作業中，出現了多次啟動電機無法拖動高壓軸轉子的現象。

2 事故原因分析

2.1 機械方面原因

機械方面原因主要是啟動及傳動系統出現故障，如液力耦合器油路故障、耦合器油泵輪齒嚙合出現、齒輪油泵輸出壓力和流量不夠、液力耦合器底部滑閥滑桿及其內部部件出現故障、輔助齒輪箱故障無法帶動主軸、撓性聯軸節故障。

2.2 儀表方面原因

儀表方面出現的問題主要是電磁閥20TU或是位置開關33CT－1發生故障，從而影響啟動油路。

2.3 工藝方面原因

工藝方面的原因主要是高壓軸在停車期間由于沒有盤車裝置，加之輔助潤滑油泵因檢修需要停機過，軸與軸瓦之間油膜減少，貼合太緊。另外，停車期間空氣濕度大，軸瓦可能生銹；壓氣機動靜部件之間也可能生銹，造成拖動高壓軸所需要的初始扭力變大。下圖是02MT01啟動系統的結構圖：

圖1 1.輸入軸；2.輸出軸；3.耦合器齒輪泵；4.泵壓力控制閥；5.滑閥；6.位置開關；7.電磁閥

3 原因查找及故障排除

液力耦合器是連接啟動電機和齒輪箱的裝置。啟動機和輔助齒輪箱中間并無機械連接，啟動機通過液力耦合器中的潤滑油把能量傳遞給輔助齒輪箱，然后帶動高壓軸轉子。電機啟動后，當HP轉速小于其額定轉速的20%時，電磁閥20TU帶電，滑閥移動打開進油口，潤滑油進入液力耦合器，然后驅動輔助齒輪箱，當HP轉速高于22%時，電磁閥20TU失電，滑閥關閉進油口，液力耦合器潤進油中斷，啟動電機與輔助齒輪箱脫開。33CT－1是顯示滑閥位置的開關。

針對透平啟動不成功的種種可能原因，機械、工藝、儀表人員對其進行逐個排查。

1）機械人員對啟動系統油路進行了檢查，首先檢查了齒輪泵對其進行排氣并在泵出口安裝壓力表以確定泵出口壓力正常。其次，檢查了啟動系統吸油口和止逆閥，確認吸油口暢通和止逆閥工作正常。最后機械人員打開了滑閥，檢查了滑閥內部是否有堵塞物，確定滑閥移動順暢。排除啟動系統故障原因之后三次啟動電機均無法拖動高壓軸轉子。

2）儀表人員檢查了20TU和33CT－1的情況，確保2個儀表裝置能正常工作。在燃氣透平啟動命令下達后，操作畫面上20TU、33CT－1狀態燈都發生改變，現場檢查發現潤滑油油已進入液力耦合器，33CT－1位置開關有明顯的動作聲音，確定了滑閥的位置正確，從而排除了儀表方面的因素。檢查完成后啟動電機2次均無法拖動高壓軸轉子。

3）輔助齒輪箱在2009年大修進行過檢修，液力耦合器雖然不易發生故障，但它已長期沒有進行檢修。經過前面的排查，機械人員懷疑輔助齒輪箱或是液力耦合器內部出現了問題。考慮到液力耦合器結構復雜、拆裝不易，且并無相關備件，機械人員決定先對輔助齒輪箱進行檢修。機械人員拆開齒輪箱后罩，用臨時制作的輔助齒輪箱盤車器對齒輪箱進行盤車，發現無法盤動轉子，后拆開撓性聯軸節脫開高壓軸對齒輪箱盤車成功。且拆除聯軸節后，啟動電機，齒輪箱齒輪飛動，說明輔助齒輪箱內部潤滑嚙合情況良好，液力耦合器也工作正常。

由此可見問題可能出現在液力耦合器和高壓軸轉子部分。液力耦合器輸出功率不夠、高壓軸轉子抱死和高壓軸需求扭矩增大都會使高壓軸無法拖動。

4）從工藝角度分析：高壓軸轉子并無盤車裝置，長時間的停車和因檢修需短時間停潤滑油可能使軸承和軸瓦貼合過緊，從而使高壓軸拖動需求扭矩增大。另外，在停車期間，由于臺風天氣，環境濕度大，高壓軸轉子和定子部分可能發生生銹，從而使拖動高壓軸所需的扭矩增大。這兩種現象的發生都會使高壓軸無法被拖動。

5）在機修人員檢查輔助齒輪箱時，工藝人員從壓氣機入口玻璃視鏡處進入檢查壓氣機生銹情況，并加入70－80℃的清洗劑和除銹劑，以清除部分銹垢。同時，用蒸汽加熱高壓軸殼體軸承位置，防止軸與軸瓦出現由于冷態而抱死的情況，也使壓氣機轉子與定子發生熱脹冷縮，以松動可能因生銹而貼合的部位。機修人員也緊急加工了高壓軸盤車器，并在工藝人員工藝處理后對高壓軸進行手動盤車，結果盤車靈活。這說明高壓軸抱死情況并不存在。

檢修至此，高壓軸無法拖動原因只有兩個：①液力耦合器輸出能力有所下降，無法拖動高壓軸。如果液力耦合器輸出功率沒有辦法調整，只能拆卸檢查液力耦合器，查找液力耦合器內部是否出現問題。②高壓軸部件發生銹蝕，轉動轉子所需要的扭力太大，雖然手動盤車可以盤動轉子，但液力耦合器無法拖動。這種情況則需要對燃氣透平開蓋檢查，這種檢查需要很長的時間，費時費力。這兩種情況都只需增大液力耦合器的輸出功率就能解決問題。

6）如何增大液力耦合器的輸出功率就成了關鍵。增加液力耦合器可通過以下兩種途徑實現。提高啟動電機轉速和增加液力耦合器內的潤滑油流量及壓力。由于啟動電機為定頻高壓電機，轉速已經不可改變，所以增加液力耦合器內的潤滑油流量及壓力就成了唯一的暫時可行的辦法。把齒輪泵壓力調到最大后，啟動電機，拖動仍然不成功，因此解決辦法的重點就落在滑閥及其油路上。下圖2是滑閥的結構圖：

圖2 滑閥的結構圖

經查詢資料并結合實物發現：通過調整調整螺母，可調節滑閥閥桿的行程，進而調節滑閥內部上油、回油口的間隙，從而達到增加液力耦合器中潤滑油流量和壓力的目的。將螺母向后調整0.5 mm后，啟動電機拖動成功，燃氣透平順利進行離線清洗。

4 結 論

此次燃氣透平拖動失敗的原因主要是以下二點：

1）燃氣透平壓氣機內部發生銹蝕，轉子重量增加，高壓軸拖動所需扭矩增加；

2）液力耦合器長期未經檢修，其輸出功率有所下降。

針對上面二點原因，檢修人員通過調整液力耦合器進油流量和壓力，增大液力耦合器輸出功率，從而解決了問題。

［1］黃志達，唐山椒.RFT－2000型透平式熱分離機原理及應用［J］.大連工學院學報，1985，24（4）：123－124.

［2］劉萬琨，魏毓璞，趙萍，等.燃氣輪機與燃氣－蒸汽聯合循環［M］.北京：化學工業出版社，2006.

Reasons for failure of high pressure shaft of gas turbine

Li Fei

（China BlueChemical Ltd.，Dongfang Hainan 572600 China）

This article introduces the process of cause analysis，cause investigation and problem solving of the gas turbine drive failure.

gas turbine；fluid coupling；the HP shaft

TQ205

B

1003-6490（2015）04-0012-02

2015－08－02

李飛（1984－），男，海南東方人，工程師，現在中海石油化學股份有限公司海南基地化肥一部從事大機組工藝技術管理工作。郵箱：lifei9＠cnooc.com.cn